8.4　气体沿管道的流动状态

气体沿管道的流动状态可分为四种：湍流、黏滞流（又称黏性流、层流）、黏滞-分子流和分子流。

8.4.1　湍流

当气体的压力和流速较高时，气体流动是惯性力在起作用，气体流线不直，也不规则，而是处于旋涡状态（见图8-3），即旋涡时而出现、时而消失。管路中每一点气体的压力和流速随时间而变化。气体分子的运动速度和方向与气流的平均速度和气流的方向大致相同。试验证明，管道中气体的流量与气体压力梯度的平方根成正比，即。

湍流仅在气体开始运动的一瞬间才出现，粗抽泵在大气压附近工作时就会形成湍流。除了特别大的真空系统外，一般湍流持续的时间很短。因而，计算时通常不考虑这一流动状态。

8.4.2　黏滞流

黏滞流出现于气体压力较髙、流速较小的情况下，通常发生在低真空管路中，此时，气体分子的平均自由程比管道截面线性尺寸小得多。它的惯性力很小，气体的内摩擦力起主要作用。流线的方向变为直线，管壁附近的气体几乎不流动，一层气体在另一层气体上滑动，流速的最大值在管道的中心。只是在管道的不规则处稍许弯曲，如图8-4所示。管道中气体的流量与压力梯度成正比，即。

8.4.3　分子流

分子流出现于管道内压力很低时，一般出现于高真空管道中。此时气体分子的平均自由程λ>d（管道直径），分子之间碰撞次数很少，主要与管壁发生碰撞。每次碰撞之后，分子向前或向后运动。经数次碰撞之后，有的分子由低压端离开管道出口；有的分子返回到高压端，如图8-5所示。

8.4.4　黏滞-分子流

介于黏滞和分子流之间的流动状态称为黏滞-分子流。

8.4.5　湍流与黏滞流的判别

气体的流动状态是湍流还是黏滞流可以用雷诺数来判别

后者状态取决于管道出口压力。鉴于这一过渡状态时间很短，作为近似计算，此状态可以认为是湍流。而雷诺数Re是由下列公式确定的

（8-12）

式中　ω——气体流速，m/s；

        d——管道当量直径，对于圆管道即为几何直径，m：

        ρ——气体密度，kg/m3；

        η——气体黏滞系数，kg/（m·s）（即N·s/m2）。

若管道直径为d，通过的气体流量为Q，则

（8-13a）

（8-13b）

式中　Q——气体流量，Pa·m3/s；

        d——管道直径，m；

        η——气体黏滞系数，N·s/m2；

        T——气体温度，K；

        M——气体摩尔质量，kg/mol。

对于20℃的空气，η=1.829×10-5N·s/m2，则

（8-13c）

（8-13d）

而2.67d≥Q≥1.45d时，则为湍流到黏滞流的过渡状态，此状态时间甚短，常以湍流计。

8.4.6　黏滞流、黏滞-分子流和分子流的判别

①根据管道中气体的平均压力和管道直径的乘积来判别：

（8-14a）

（8-14b）

（8-14c）

②根据气体分子的平均自由程和管道直径比来判别：

（8-15a）

（8-15b）

（8-15c）

式中　——管道中平均压力，Pa，即入口压力与出口压力的平均值；

        d——管道直径，m；

        ——气体分子的平均自由程，m。

真空工程计算中可以粗略地判别分子流和黏滞流，通常认为高真空管路中的流动状态为

分子流，低真空管路中的流动状态为黏滞流。